KR100613252B1 - 변태유기소성강의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열간압연 중 압하율과 냉각속도를 최적으로 조정하여 충분한 양의 잔류 오스테나이트를 얻을 수 있는 변태유기소성강의 제조방법에 관한 것으로, 저탄소강을 열간압연에 의하여 변태유기소성강을 제조하는 방법에 있어서, 사상압연 출측 목표온도, 강판의 목표 두께 그리고 목표하는 잔류 오스테나이트량으로부터 권취온도와 냉각속도에 따른 압하율을 구하고, 이들 조건으로부터 최적 압하율을 결정한 다음, 결정된 최적 압하율부터 최종스탠드의 압하율과 각 사상압연기의 부하 배분율을 결정한 후, 각 단계에서 결정된 최적 압하율과 권취온도 그리고 냉각속도에 따라 슬라브를 사상압연하고 연속냉각기에서 냉각하여 잔류 오스테나이트량이 충분한 변태유기소성강을 제조하는 방법을 제공한다.
변태유기소성강, 잔류오스테나이트, 압하율, 냉각속도, 사상압연기, 연속냉각장치, 권취온도

Description

변태유기소성강의 제조방법{Method For Manufacturing Steel of Transformation Induced Plasticity}
도 1 은 열간압연기의 배치도이다.
도 2 는 열간압연기에서 급냉시 불량제품이 발생하는 상태를 나타낸 모식도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열간압연의 공정 제어도이다.
도 4 는 냉각속도와 잔류 오스테나이트량의 상관 관계에 대한 실험결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 변태유기소성강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간압연 중 압하율과 냉각속도를 최적으로 조정하여 충분한 양의 잔류 오스테나이트를 얻을 수 있는 변태유기소성강의 제조방법에 관한 것이다.
변태유기소성(TRIP)강이란 열간압연 후 오스테나이트의 잔류량이 5-20%를 함유하고 있어서 고 인장강도와 연신율을 갖는 초고강도 강판을 말하며, 초 고강도 특성을 지니고 있어 자동차의 도어 임팩트 빔이나 범퍼 또는 휠등 고장력 고강도가 요구되는 부품에 사용된다.
변태유기소성강은 이와 같이 고강도를 지니면서 성형성이 우수하고 경량화가 가능하기 때문에 최근 들어 자동차의 각종 소재에 그 적용범위를 넓혀가고 있다.
일반적인 변태유기소성강을 제조하는 열간압연 공정을 도1을 참조하여 설명한다.
먼저 두께가 200-250mm 정도의 슬라브(10)를 가열로(20)에서 연속적으로 1120-1300℃의 범위로 가열한다. 이렇게 가열된 슬라브(10)는 조압연기(30)를 통과하면서 두께가 20-60mm 정도인 바(bar) 소재로 압연된다. 조압연기(30)에서 압연된 바소재는 사상압연기(40)를 통과하면서 두께 1.0-20mm 정도의 강판 형태로 제조된다.
조압연기(30)는 슬라브(10)에 한번에 많은 압하력을 가할 수 없기 때문에 슬라브(10)를 2-4조의 조압연기를 왕복시키면서 압연하는 가역식 압연방법으로 열간압연한다. 그러나, 사상압연기(40)는 가역식 압연을 하지 않고 슬라브(10)를 6-7조의 사상압연기(41,42,43,44,45,46,47)를 통과시키면서 바소재로 압연한다. 사상압연기(40)에서 압연된 강판은 연속냉각장치(50)를 통과하면서 냉각수로 냉각한 다음 권취기(60)에서 코일로 권취된다.
여기서 연속냉각장치(50)는 물을 분사하는 뱅크(bank)(51)가 12-15개 정도 연속적으로 배열되어있고, 각 뱅크(51)에는 통상 4개조의 원통형으로 설치된 파이프 형태의 헤더가 설치되어 있고 각 헤더에는 다수의 노즐이 설치되어 있다. 각 헤더에 설치된 노즐의 수는 통상 15-40개 정도이다. 그리고 각 뱅크(51)는 15-25 ℓ/min 정도의 냉각수를 소재에 분사할 수 있다.
일반적으로 열간압연 공정에 의하여 강판을 제조할 경우, 공정야금(process metallurgy) 기술 또는 재질예측제어(structure/property prediction and control)기술을 적용하여 강판의 기계적 성질을 예측할 수 있도록 제조 조건을 제어하여 강판을 제조한다.
예를 들면, 변태유기소성강을 열간압연으로 제조할 경우, 사상압연기(40)에서 강판의 두께, 폭 그리고 사상압연 종료시의 온도(FDT)가 결정되면, 이에 따라 연속냉각장치(50)에서 냉각속도와 권취온도(CT)를 조절하게 된다. 연속냉각장치(40)에서 온도제어를 목적으로 사용하는 프로그램을 CTC라고 하며, CTC에서는 공냉에 의한 소재온도 강하량과 각 뱅크(51)를 열어 물을 분사할 경우 소재온도의 강하량을 예측하여 분사하는 뱅크(51)의 개수를 결정한다.
CTC에 의하여 냉각을 제어할 경우 뱅크(51) 단위로 제어하며, 통상 사상압연 종료온도(FDT)는 850-950℃로 설정하고 권취온도는 400-750℃로 설정하여 사상압연이 끝난 강판을 10-25℃/sec 의 냉각속도로 냉각되도록 제어한다.
변태유기소성강의 고강도 특성은 열간압연후 소재에 잔류하는 오스테나이트에 의하여 결정되므로 연속냉각시 통상 900-950℃로부터 400-450℃까지 매우 빠른 속도로 냉각시켜야 한다. 이와 동시에 변태유기소성강은 경량화가 가능하여야 하므로 이러한 특성에 부합하기 위해서 통상 1.5-3.4mm 정도의 얇은 강판으로 제조된다.
열간압연 공정에 의하여 변태유기소성 강판을 제조할 경우 사상압연기 선단 부의 압연조건 및 냉각조건이 특히 중요하다. 여기서 사상압연기의 선단부라 함은 사상압연기로부터 압연되어 나오기 시작하는 부분을 말한다.
선단부의 경우 최초 압연작업시 권취기(60)에 아직 인입되지 못하고 사상압연기에서 밀려나오는 상태이므로 권취기(60) 쪽으로 어떠한 힘도 받지 못하는 상태에 있다. 따라서 도 2에서와 같이 과냉시 냉권(15)과 같은 불량품이 발생하게 된다. 그러나 압연된 강판의 선단부가 일단 권취기(60)에 진입되게 되면 권취기(60)가 강판을 당겨주므로 권취기(60)와 최종 사상압연기(47)사이에 인장력이 발생하기 때문에 충분한 급냉을 실시하여도 안정한 상태로 열간압연을 실시할 수 있다.
이와 같이 냉권이 발생하게 되면 해당 소재는 전량 제품으로 사용할 수 없게 되고, 이러한 냉권을 제거하기 위해서는 많은 시간을 소요하게 되기 때문에 강판 제조의 중요한 문제점으로 대두되고 있다.
이러한 이유 때문에 선단부가 권취기(60)에 인입되지 못한 상태에서는 냉권(15)을 막기 위해 사상압연기의 압연속도를 늦추어 주게된다.
그러나 냉권불량을 방지하기 위하여 압연속도를 늦추게 되면 연속냉각장치 내에서 강판의 주행성은 향상 될 수 있지만, 냉각속도가 늦어지게 되어 충분한 잔류 오스테나이트를 잔류시킬 수 없게 된다. 즉 이러한 조건에서는 변태유기소성강을 제조되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 냉각온도 자체를 가능한 높게 설정하여 압연하는 방법을 생각해 볼 수 있으나, 이와 같이 냉각온도를 높게 설정하게 되면 오스테나이트가 퍼얼라이트 또는 페라이트로 상변태를 하기 때문에 잔류 오스테나이 트의 양이 감소하여 제조된 강판은 변태유기소성강으로 사용할 수 있는 성형성과 강도를 확보할 수 없게 된다.
지금까지 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력으로 소재의 성분을 조절하거나, 냉각방법을 변경하는 방법들은 제시되고 있으나, 열간압연 및 연속냉각 과정 자체를 제어하는 방법에 대해서는 알려져 있지 않다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 변태유기소성강을 열간압연으로 제조함에 있어서, 강판의 최종 두께와 목표하는 잔류 오스테나이트량으로부터 열간압연시의 압하량과 냉각속도 그리고 권취온도를 결정한 다음 최적의 압하율과 냉각조건을 적용하여 열간압연하여 급냉하지 않고도 적정량의 잔류 오스테나이트를 생성시킬 수 있는 변태유기소성강의 제조방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소 함유량이 0.2-0.5%이고 특수원소로 Mn과 Si이 첨가되며 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 저탄소강을 열간압연에 의하여 변태유기소성강을 제조하는 방법에 있어서, 가열로에서 가열되고 조압연기에서 조압연된 슬라브를 사상압연하기 전에 상기 슬라브의 사상압연 출측 목표온도, 강판의 목표 두께 그리고 목표하는 잔류오스테나이트량으로부터 권취온도와 냉각속도에 따른 압하율을 수학식 1에 따라 구하는 단계;
γR(%)=(-2.25×10-4×Tc-7.21×10-4×Rr+1.55×10-3×Cr+0.278)×100 (여기서; γR는 잔류 오스테나이트의 부피분율(%), Tc는 권취온도(℃), Rr은 압하율(%) 그리고 Cr은 냉각속도(℃/sec)를 각각 의미한다.)
상기 압하율 계산단계에서 계산한 계산값 중에서 잔류오스테나이트량(γR)이 12-14 Vol.%, 권취온도(Tc)가 450-600℃, 냉각속도(Cr)가 5-35℃/sec 범위 내에서 최적 압하율(Rr)을 결정하는 단계; 상기 결정된 최적 압하율(Rr)로부터 최종스탠드의 압하율과 각 사상압연기의 부하 배분율을 결정하는 단계; 상기 각 단계에서 결정된 최적 압하율과 권취온도 그리고 냉각속도에 따라 상기 슬라브를 사상압연하고 연속냉각기에서 냉각하는 단계; 를 포함하는 변태유기소성강의 열간압연방법을 제공한다.
본 발명에서 최종 스탠드의 압하율을 15-45% 으로 제어하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명은 각 사상압연기의 부하 배분율의 경우 최초 스탠드에서부터 점진적으로 압하율을 증가시키고 최종 스탠드 바로 직전의 스탠드에서 최대 압하율을 가하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 최적 냉각속도의 경우 25℃/sec 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명에 따른 열간압연 공정에 의하여 변태유기소성강을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 변태유기소성강은 탄소 함유량이 0.2-0.5 wt%인 저탄소강에 불가피한 불순물이 포함된 탄소강을 주소재로 한다. 본 발명은 이러한 탄소강에 Si과 Mn 등과 같은 변태유기소성을 유발하는 특수원소가 첨가된 강을 기본소재로 하며, Si을 특수원소로 첨가할 경우 그 첨가량은 1.5 wt %, Mn을 특수원소로 첨가할 경우 그 첨가량은 2.0wt % 가 바람직하다.
본 발명에 의하여 변태유기소성강을 제조하기 위한 제조방법을 도 3을 이용하여 설명한다.
먼저, 사상압연기의 마지막 압연기에서의 출측 목표온도(Ti)와 강판의 목표 두께(hi) 그리고 목표하는 잔류 오스테나이트의 량(γR)을 결정한다(70). 여기서 출측 목표온도 (Ti)는 900℃ 전후로 설정하고, 강판의 목표 두께(hi)는 1.0-3.5mm 그리고 목표하는 잔류 오스테나이트의 량(γR)은 12-14%로 설정하는 것이 고장력 경량화 변태유기소성강을 제조하기 위한 바람직한 조건이 된다.
이와 같이 설정된 Ti, hi 그리고 γR값으로부터 연속냉각이 끝난 이후 강판을 코일로 감는 권취온도(Tc)와 강판의 냉각속도(Cr)를 설정하고 이들로부터 다음의 수학식 1을 이용하여 사상압연시의 압하율(Rr)을 계산한다.
[수학식 1]
γR(%)=(-2.25×10-4×Tc-7.21×10-4×Rr+1.55×10-3×Cr+0.278)×100 여기서 γR는 잔류 오스테나이트의 부피분율(%), Tc는 권취온도(℃), Rr은 압하율(%) 그리고 Cr은 냉각속도(℃/sec)를 각각 의미한다.
수학식 1은 탄소함유량이 0.2wt% 이고 Mn과 Si를 특수원소로 첨가한 강을 사용하여 열간압연용 변태유기소성강을 제조할 때 각종 조건에 대한 실험결과를 이용하여 회귀분석을 통하여 구한 식이며, 사상압연의 최종스탠드에서의 압하율이 15 -45% 이고, 코일의 권취온도가 450-600℃ 범위에서 적용된다.
압하율 Rr은 해당 사상압연기에서의 강판두께와 전 사상압연기에서의 강판두께의 비를 나타내는 것으로 다음과 같은 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Rr = [(hi-1-hi)×100]/hi-1
상기 수학식을 이용하여 권취온도(Tc) 450-600℃범위, 냉각속도(Cr) 5-25℃/sec범위에서 목표하는 잔류 오스테나이트 량(γR)을 얻을 수 있는 압하율(Rr)을 계산한다(71).
계산된 결과로부터 강판두께에 따른 최적 압하율(Rr)과 최적 권취온도(Tc) 그리고 냉각속도(Cr)을 선택하여 결정한다(72).
이상 계산된 최종 스탠드의 압하율을 적용하고 이하에서 설명될 사상압연기 각 스탠드의 압하율 부하 배분을 수정한다(73).
이와 같이 최적 압하율 부하 배분을 결정한 다음 이하에서 설명된 최적 냉각속도를 적용하여 사상압연을 한 다음 연속냉각장치에서 강판을 냉각하여 목표하는 잔류 오스테나이트를 생성시킨 변태유기소성강을 제조한다(74).
본 발명의 조건에 따라 열간압연한 구체적인 실험 측정값과 상기 수학식에 따라 계산된 값을 비교한 결과를 냉각속도 별로 표1 내지 표3에 나타내었다.
표1 내지 표3에 나타난 실험값은 140m의 연속냉각장치를 이용한 것으로 이러한 장치를 이용하여 변태유기소성강을 제조할 경우의 열간압연 조건과 그 조건에 따라 제조된 강의 결정조직을 분석한 결과이다.
구분 냉각속도 25 ℃/sec
권취온도(℃) 450 500 550 600
압하율(%) 15 30 45 15 30 45 15 30 45 15 30 45
γ잔류량(%,계산값) 20 19 18 19 18 17 18 17 16 17 16 15
γ잔류량(%,실험값) 19 17 17 18 18 16 17 17 15 18 15 13
압연속도(m/min) 447 447 447 500 500 500 568 568 568 656 656 656
구분 냉각속도 20 ℃/sec
권취온도(℃) 450 500 550 600
압하율(%) 15 30 45 15 30 45 15 30 45 15 30 45
γ잔류량(%,계산값) 20 19 17 19 17 16 17 16 15 16 15 14
γ잔류량(%,실험값) 19 19 17 18 16 17 17 16 15 14 16 13
압연속도(m/min) 357 357 357 400 400 400 454 454 454 525 525 525
구분 냉각속도 15 ℃/sec
권취온도(℃) 450 500 550 600
압하율(%) 15 30 45 15 30 45 15 30 45 15 30 45
γ잔류량(%,계산값) 19 18 17 18 17 16 17 16 14 15 14 13
γ잔류량(%,실험값) 18 18 18 17 17 16 15 17 15 14 13 14
압연속도(m/min) 268 268 268 300 300 300 341 341 341 394 394 394
표 1 내지 표 3에 나타나 있는 바와 같이 수학식 1에 따른 오스테나이트 잔류량 계산 값은 압하율 15-45% 범위, 냉각속도 15-25℃/sec, 권취온도 450-600℃ 범위에서 오스테나이트 잔류량 실험값과 잘 일치함을 보여주고 있다. 그리고 표 1 내지 표 3에서 밑금친부분은 일반적으로 열간압연공정에서 강판의 선단부 압연속도를 400-750m/min 하여 열간압연을 실시하고 있다는 점을 고려하여 이러한 범위에서 목표하는 변태유기소성강을 제조할 수 있는 조건을 표시한 것이다.
이상과 같이 압연속도, 냉각속도 그리고 권취온도를 고려하여 최종 압하율 범위를 선택한 다음, 사상압연기의 각 스탠드별 압하량 분배패턴을 결정한다(73).
각 스탠드의 압하량 분배 패턴은 위에서 설정한 최종 스탠드의 압하량을 고려하여 결정하며, 종래의 열간압연방법과 본 발명의 열간압연 방법에 따라 변태유기소성강을 제조하고 제조된 강판의 조직을 검사하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
표 4에 나타난 실험결과는, 0.2wt% 탄소강에 Mn 1.5 wt%, Si 2.0 wt%가 첨가된 탄소강을 30mm 두께의 바소재를 사상압연기로 압연한 2.5mm 두께의 강판을 제조하고 출축 온도를 920℃로 하여 변태유기소성강을 제조한 것이다. 표 4에서의 비교예는 종래의 압하율 패턴에 따른 것으로 점진적으로 압하량을 늘려 가며 최종 스탠드에서 50-60% 압하율로 사상압연하여 제조한 강판에 대한 것이고, 실시예는 본 발명에서 결정한 압하율 패턴에 따라 제조한 강판에 대한 것이다.
구 분 사상압연기의 스탠드 번호 γ의 잔류량 (Vol.%) 강판의 주행성 압연조건 권취온도(℃) 냉각속도(℃/sec)
1 2 3 4 5 6 7
비교예1 코일두께(mm) 26.2 22.2 17.5 12.8 8.4 5.0 2.5 10 불량 권취온도:480 냉각속도:20
압하율(%) 14.7 15.3 21.1 26.8 34.4 41.0 50.0
비교예2 코일두께(mm) 26.2 22.2 17.5 12.8 8.4 5.0 2.5 11 냉권 발생 권취온도:480 냉각속도:35
압하율(%) 14.7 15.3 21.1 26.8 34.4 41.0 50.0
실시예1 코일두께(mm) 26.2 22.2 17.5 12.8 8.4 2.9 2.5 18 양호 권취온도:480 냉각속도:20
압하율(%) 14.7 15.3 21.1 26.8 34.4 65.5 15.0
실시예2 코일두께(mm) 26.2 22.2 17.5 12.8 8.4 3.5 2.5 17 매우 양호 권취온도:480 냉각속도:20
압하율(%) 14.7 15.3 21.1 26.8 34.4 58.3 30.0
실시예3 코일두께(mm) 26.2 22.2 17.5 12.8 8.4 4.5 2.5 16 매우 양호 권취온도:480 냉각속도:20
압하율(%) 14.7 15.3 21.1 26.8 34.4 46.4 45.0
표 4에 나타나 있는 바와 같이 비교예와 실시예는 1번에서 5번 스탠드까지 압연패턴이 동일하며 다른 점은 6번 과 7번 스탠드에서 비교예는 점진적으로 압하율을 증가하여 최종 스탠드에서 최고의 압하율(50-60%)을 가한 반면, 실시예에서는 6번 스탠드에서 최고의 압하율(45-65%)을 가하고 최종 스탠드에서는 15-45% 정도만 가하여 강판을 제조하였다는 점이다.
비교예에서와 같이 최종스탠드에서 이렇게 높은 압하율을 가할 경우 권취온도를 낮게하고 냉각속도를 빠르게 한다고 하더라도 충분한 양의 오스테나이트를 생성시키기 어렵다. 또한 비교예에서와 같이 작업을 하게 되면 열간압연 중에 냉권이 발생하여 열연코일을 사용할 수 없게 된다.
그러나 실시예에서와 같이 최종 스탠드에서 15-45%의 압하율을 가할 경우에는 낮은 냉각속도(20 ℃/sec 이하)와 비교적 높은 권취온도(450℃ 이상) 에서도 16% 이상의 충분한 잔류 오스테나이트를 생성시킬 수 있다. 이 뿐만 아니라 실시예와 같은 조건으로 열간압연을 할 경우 연속냉각 구역에서의 강판 주행성이 양호하여 불량제품이 발생하지 않는다.
이하에서는 냉각속도 변화에 따른 잔류 오스테나이트량에 변화에 대한 영향을 살펴본다. 냉각속도 변화에 따른 잔류 오스테나이트량에 대한 실험결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 표 4의 압하율 조건으로 실험한 결과이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 비교예의 압연조건으로 냉각속도만을 변화한 경우 냉각속도가 증가함에도 불구하고 잔류 오스테나이트량은 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다.
그러나 실시예의 압연조건으로 냉각속도를 변화시겼을 경우 잔류 오스테나이트량은 15-21%까지 증가하여 생성된다는 것을 알 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 압연조건으로 최대 잔류 오스테나이트량을 생성시킬 수 있는 냉각속도는 30℃/sec 임을 알 수 있다. 그러나 일반적으로 연속냉각 구역에서 냉각시간이 10-15초간 소요된다는 점을 감안하면 냉각속도가 25℃/sec 이상일 경우, 냉각수가 과다하게 분사되어 냉권이 발생할 가능성이 매우 높다.
따라서 본 발명에 따른 압연조건으로 변태유기소성강을 제조할 경우 냉각속도는 25℃/sec 이하로 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 변태유기소성강을 열간압연으로 제조할 경우, 최적의 압연조건, 특히 사상압연기에서의 최적 압하율 패턴을 구하여 이러한 조건에서 열간압연함으로서 목표하는 잔류 오스테나이트량을 생성시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열간압연조건으로 변태유기소성강을 제조하게 되면, 연속냉각 구역에서 급격한 냉각을 피할 수 있고, 강판의 주행성을 확부할 수 있어서 냉권과 같은 불량 제품의 발생율을 최소화 할 수 있다.

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  5. 탄소 함유량이 0.2-0.5%이고 특수원소로 Mn은 1.5wt%, Si는 2.0wt%가 첨가되며 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 저탄소강을 열간압연에 의하여 변태유기소성강을 제조하는 방법에 있어서,
    가열로에서 가열되고 조압연기에서 조압연된 슬라브를 사상압연하기 전에 상기 슬라브의 사상압연 출측 목표온도, 강판의 목표 두께 그리고 목표하는 잔류오스테나이트량으로부터 권취온도와 냉각속도에 따른 압하율을 수학식 1에 따라 구하는 단계;
    [수학식 1]
    γR(%)=(-2.25×10-4×Tc-7.21×10-4×Rr+1.55×10-3×Cr+0.278)×100 (여기서; γR는 잔류 오스테나이트의 부피분율(%), Tc는 권취온도(℃), Rr은 압하율(%) 그리고 Cr은 냉각속도(℃/sec)를 각각 의미한다.)
    상기 압하율 계산단계에서 계산한 계산값 중에서 잔류오스테나이트량(γR)이 12-14 Vol.%, 권취온도(Tc)가 450-600℃, 냉각속도(Cr)가 5-25℃/sec 범위 내에서 최적 압하율(Rr)을 결정하는 단계;
    상기 결정된 최적 압하율(Rr)로부터 최종스탠드의 압하율을 15-45% 범위로 결정하고, 각 사상압연기의 부하 배분율을 최초 스탠드에서부터 점진적으로 압하율을 증가시키고 최종 스탠드 바로 직전의 스탠드에서 최대 압하율을 가하는 것으로 결정하는 단계;
    상기 각 단계에서 결정된 최적 압하율과 권취온도 그리고 냉각속도에 따라 상기 슬라브를 사상압연하고 연속냉각기에서 냉각하는 단계;
    를 포함하는 변태유기소성강의 열간압연방법.
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